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  近年來，彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)被廣泛應用于離子導電體、柔性電子和軟體機器人等領(lǐng)域。彈性體通常由疏水的高分子組成，水凝膠由親水的高分子和大量的水組成；兩種材料之間迥異的化學性質(zhì)導致界面粘接強度很低，使彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的制備成為一個挑戰(zhàn)。近年來國內(nèi)外研究團隊針對彈性體與水凝膠之間的粘接問題展開了廣泛而深入的研究，將兩者之間的粘接強度提高到1000 J/m²量級。要實現(xiàn)兩種材料之間的高強度粘接，采用模具是常用的做法。一方面，模具可隔絕氧氣；另一方面，模具可保持前驅(qū)液的形狀并控制尺寸。但是模具的使用很大程度上限制了彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的復雜構(gòu)型設計。因此，提出一種新的設計策略實現(xiàn)彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的復雜構(gòu)型設計、強粘接、可拉伸性和透明性具有廣泛的應用價值。

  鑒于上述情況，研究人員受到甲殼蟲背部親水島的啟發(fā)，提出了一種制備具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復合結(jié)構(gòu)的設計策略。通過在一個疏水的彈性體表面上制備出親水島，并在親水島上滴加液滴，研究親水島直徑大小和液體體積對液滴輪廓的影響。以水為例，通過構(gòu)建液滴輪廓的參數(shù)空間，將設計準則應用于水凝膠的前驅(qū)液，高保真度地將其固化成水凝膠，并基于硅烷偶聯(lián)劑在水凝膠與彈性體之間實現(xiàn)高強度粘接。研究人員展示了兩個具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復合結(jié)構(gòu)的潛在應用：一種可以在不同壓力下選擇性地響應發(fā)光的離子電子-電致發(fā)光器件；另一種焦距可調(diào)的可拉伸柔性光學透鏡。該仿生設計策略為制備新型彈性體-水凝膠復合結(jié)構(gòu)提供了新的解決思路。

圖1 彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的仿生設計原理 A) 甲殼蟲背部親水島示意圖，B) 具有可調(diào)控曲面輪廓的彈性體-水凝膠復合結(jié)構(gòu)制備過程

  研究人員首先展示了彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的仿生設計原理，并闡述了復合結(jié)構(gòu)的制備方法和流程。將硅烷偶聯(lián)劑添加到水凝膠前驅(qū)體溶液，原位聚合，實現(xiàn)了兩種材料之間的高強度粘接。

圖2 液滴在疏水表面的可調(diào)控行為

  針對液滴在PDMS疏水表面的浸潤行為，研究人員測量了親水島形貌（包括高度、曲率、接觸角）隨液滴體積的變化。確實，將液滴滴在某一特定直徑的親水島上，液滴可鋪展至整個親水島區(qū)域；增大液滴的體積，親水島區(qū)域的直徑不變，而高度和接觸角逐漸增大。當液滴體積繼續(xù)增大并超過某一臨界值，水滴會超過親水/疏水邊界從而轉(zhuǎn)變成疏水狀態(tài)，如圖2所示。這種液滴形貌的可調(diào)控性可普遍應用于液體的可操控設計。

圖3 水凝膠的高保真度合成及高強度粘接測試

  隨后，研究人員對水凝膠親水島輪廓的高保真度合成及彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)高強度粘接進行了表征，如圖3所示�？梢钥闯觯诙喾N液滴體積的情況下，水凝膠前驅(qū)體溶液與聚合后相比，親水島區(qū)域的形貌（高度、接觸角）幾乎一致，展現(xiàn)出極高的保真度。采用90度剝離的方法測試了水凝膠與彈性體之間的粘接強度約為90 J/m²，與水凝膠本身的斷裂能相當。此外，將彈性體拉伸至1.83倍，兩種材料之間未發(fā)生脫粘，展現(xiàn)出高強度粘接行為。

圖4 離子發(fā)光器件及可調(diào)透鏡

  最后，研究人員展示了彈性體-水凝膠復合結(jié)構(gòu)的潛在應用，包括在壓力作用下選擇性發(fā)光的離子電子-電致發(fā)光器件和一種焦距可調(diào)的可拉伸柔性光學透鏡，如圖4所示。彈性體—水凝膠復合結(jié)構(gòu)的仿生設計策略為復雜結(jié)構(gòu)的設計和制造提供了一種新的方法。

  更多詳細信息，以及關(guān)于親水島形貌理論分析、離子電子-電致發(fā)光器件的電路分析等請參考原文及支撐材料。

  這一研究工作最近發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials上。論文第一作者是南方科技大學力學與航空航天工程系博士研究生張平，通訊作者是南方科技大學力學與航空航天工程系楊燦輝助理教授。

  論文信息與鏈接

  Ping Zhang, Qi Li, Yihang Xiao, and Canhui Yang*, Biomimetic Hydrophilic Islands for Integrating Elastomers and Hydrogels of Regulable Curved Profiles configurations, ACS Applied Electronic Materials, 2020.

  DOI: 10.1021/acsaelm.0c00830

  https://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.0c00830

  楊燦輝助理教授與洪偉教授合作，目前已基本搭建起南方科技大學軟體力學實驗室；實驗室長期招收推免直博生，碩、博士研究生和博士后等；研究方向包括軟材料力學，水凝膠器件，新型軟材料設計與加工，3D打印等。歡迎對相關(guān)研究方向感興趣的同學/博士/學者郵件聯(lián)系：yangch@sustech.edu.cn。請在郵件中做必要的自我介紹。